一种含氮碳量子点修饰铂钌双金属甲醇氧化电催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含氮碳量子点修饰铂钌双金属甲醇氧化电催化剂及其制备方法，制备包括以下步骤：(1)合成含氮碳量子点：以柠檬酸和尿素为原料，通过水热法合成均匀分散的小颗粒纳米尺寸含氮碳量子点；(2)合成铂钌碳量子点电催化剂。本发明专利技术与商用的铂钌碳催化剂用于甲醇氧化反应相比，含氮碳量子点修饰过的铂钌碳催化剂用于甲醇氧化反应时其在性能上取得了极大地改善，很好地改善了商用的铂碳催化剂在甲醇氧化反应中出现的质量活性低，稳定性差的缺点。缺点。缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种含氮碳量子点修饰铂钌双金属甲醇氧化电催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电催化剂领域，具体涉及一种含氮碳量子点修饰铂钌双金属甲醇氧化电催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]直接甲醇燃料电池(DMFC)作为一种将化学能直接转化为电能的装置，因其具有能量转换效率高、运输方便、易于储存和环境污染小等优点而得到了广泛的研究，被认为是便携式电子设备和电动汽车的新兴电源。甲醇氧化反应是直接甲醇燃料电池的阳极反应，开发高活性的电催化剂对提高燃料电池的性能至关重要。铂基电催化剂因其高电催化活性而受到广泛关注。可以通过调整化学成分、建造特殊结构来提高燃料电池的活性。然而，限制其性能和广泛使用的DMFC的主要问题之一是甲醇氧化过程中生成的中间产物一氧化碳(CO)被强烈吸附，导致阳极上的铂表面中毒。合成与其他金属或金属氧化物“合金化”的铂金属催化剂是解决这一问题的最佳方法之一，这些金属或金属氧化物具有在较低电位下形成表面含氧物种的较高倾向。根据甲醇氧化反应对Pt基催化剂的抗毒性研究，PtRu双金属纳米材料被认为是迄今为止性能最好的耐CO中毒电催化剂，亲氧钌能在较低的电位下引入足够多的吸附羟基(Ru
‑
OH吸附)，这将大大加快铂原子(Pt
‑
CO吸附)上中毒中间体的氧化过程。其价格仍然很高，催化活性和耐用性也不令人满意。因此，开发性能优良、性价比高的阳极催化剂成为当务之急。

技术实现思路

[0003]针对以上的问题，在本专利技术提供一种含氮碳量子点修饰铂钌双金属甲醇氧化电催化剂及其制备方法，采取简单的两步法合成一种炭黑负载的铂钌双金属碳量子点电催化剂，在材料制备的过程中，通过简单改变含氮碳量子点的用量从而实现对铂钌金属的能带中心进行调控，进而改变甲醇氧化反应的电催化活性。随后，在相应的电化学循环伏安测试中，一定用量的碳量子点可以使甲醇氧化反应的电催化质量活性大幅度提高。本合成方法相对其他构建特殊结构的方法对比，操作简单易于合成，在室温条件下即可完成还原附着过程，为实际应用提供了可能性。
[0004]本专利技术的目的采用以下技术方案来实现：
[0005]第一方面，本专利技术提供一种含氮碳量子点修饰铂钌双金属甲醇氧化电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0006](1)合成含氮碳量子点：
[0007]以柠檬酸和尿素为原料，通过水热法合成均匀分散的小颗粒纳米尺寸含氮碳量子点；
[0008](2)合成铂钌碳量子点电催化剂：
[0009]将含氮碳量子点固体与去离子水混合，搅拌均匀，得到含氮碳量子点溶液；将炭黑
与去离子水混合，超声均匀，得到炭黑悬浊液；将含氮碳量子点溶液与炭黑悬浊液混合，然后依次加入氯铂酸溶液、氯化钌溶液与硼氢化钠溶液，搅拌反应后，过滤、洗涤和干燥，得到铂钌碳量子点电催化剂。
[0010]优选地，步骤(1)中，柠檬酸为无水柠檬酸，柠檬酸和尿素的质量比为1:1。
[0011]优选地，步骤(1)中，水热法的固体和去离子水的质量比为1:10。
[0012]优选地，步骤(1)中，水热法反应的温度为160℃，反应时间为240min。
[0013]优选地，步骤(1)中，水热反应结束后，经过离心过滤和冷冻干燥处理；离心过滤是在 10000rpm转速下除去不溶性杂质部分，然后将得到的浅棕褐色溶液急冻成固体；冷冻干燥是将急冻成的固体在冷冻干燥装置中冻干18h。
[0014]优选地，步骤(2)中，含氮碳量子点溶液的制备过程，含氮碳量子点固体与去离子水的质量比为0.15:20，搅拌时间是10min。
[0015]优选地，步骤(2)中，炭黑悬浊液的制备过程，炭黑与去离子水的质量比为0.09:20，超声处理时间是40min。
[0016]优选地，步骤(2)中，含氮碳量子点溶液与炭黑悬浊液混合后，搅拌10min，然后滴加其他溶液；滴加其他溶液的过程为：先加入氯铂酸溶液与氯化钌溶液后，再逐滴加入硼氢化钠溶液，硼氢化钠溶液的滴加速度为6～8滴/分钟；
[0017]其中，氯铂酸溶液的浓度是0.1mol/L，体积是2.05ml；氯化钌溶液的浓度是0.1mol/L，体积是1.978ml；硼氢化钠溶液的浓度是0.05mol/L，体积是10ml。
[0018]优选地，步骤(2)中，全部溶液加入后，搅拌反应是在室温条件下进行的，搅拌时间是 360min。
[0019]优选地，步骤(2)中，过滤是用抽滤装置过滤悬浊液，洗涤是使用1升去离子水分多次洗涤滤渣，干燥是在烘箱中60℃干燥。
[0020]第二方面，本专利技术公开了一种使用上述方法制备得到的含氮碳量子点修饰铂钌双金属甲醇氧化电催化剂。
[0021]本专利技术的有益效果为：
[0022]1.本专利技术与商用的铂钌碳催化剂用于甲醇氧化反应相比，含氮碳量子点修饰过的铂钌碳催化剂用于甲醇氧化反应时其在性能上取得了极大地改善，很好地改善了商用的铂碳催化剂在甲醇氧化反应中出现的质量活性低，稳定性差的缺点。
[0023]2.该专利技术实施例中，首次提出了通过用碳量子点来优化铂钌碳催化剂在甲醇氧化反应性能中的不足问题(如质量活性较低、稳定性较差)，这与其它解决此问题的方法(如构造核壳结构，杂原子掺杂，引入空位)相比，操作步骤更为简单，便于大批量合成，使甲醇氧化技术运用在实际生活变得更加容易。
附图说明
[0024]利用附图对本专利技术作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本专利技术的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
[0025]图1为本专利技术实施例制备铂钌碳量子点电催化剂的流程示意图；
[0026]图2为本专利技术实施例所制备的铂钌碳量子点电催化剂前驱体的透射电子显微电镜
图；
[0027]图3为本专利技术实施例所制备的铂钌碳量子点电催化剂透射电子显微电镜图；
[0028]图4为本专利技术实施例铂钌碳量子点电催化剂与商用铂碳、商用铂钌碳电催化剂质量活性图；
[0029]图5为本专利技术实施例铂钌碳量子点电催化剂与商用铂碳、商用铂钌碳电催化剂时间安培曲线图；
[0030]图6为本专利技术实施例铂钌碳量子点电催化剂与商用铂碳电催化剂一氧化碳溶出伏安曲线。
具体实施方式
[0031]为了更清楚的说明本专利技术，对本专利技术的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本专利技术的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本专利技术的可实施范围的限定。
[0032]本专利技术开发了一种通过铂钌合金化，用含氮碳量子点(N
‑
CDs)修饰铂钌原子，以降低铂对钌的敏感性，这些策略旨在调节铂的d带中心，以提高其单质质量活性，使铂的利用率提高。我们使用一种简单还原方法，把柠檬酸和尿素在水热处理下合成荧光碳量子点，在常温下把氯铂酸和氯化钌还原负载在含氮碳量子点和炭黑上，合成了碳量子点修饰的铂钌纳米电催化剂，并研究其在酸性条件下的甲醇电氧化的催化性能。制备的铂钌本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含氮碳量子点修饰铂钌双金属甲醇氧化电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)合成含氮碳量子点：以柠檬酸和尿素为原料，通过水热法合成均匀分散的小颗粒纳米尺寸含氮碳量子点；(2)合成铂钌碳量子点电催化剂：将含氮碳量子点固体与去离子水混合，搅拌均匀，得到含氮碳量子点溶液；将炭黑与去离子水混合，超声均匀，得到炭黑悬浊液；将含氮碳量子点溶液与炭黑悬浊液混合，然后依次加入氯铂酸溶液、氯化钌溶液与硼氢化钠溶液，搅拌反应后，过滤、洗涤和干燥，得到铂钌碳量子点电催化剂。2.根据权利要求1所述的含氮碳量子点修饰铂钌双金属甲醇氧化电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，柠檬酸为无水柠檬酸，柠檬酸和尿素的质量比为1:1。3.根据权利要求1所述的含氮碳量子点修饰铂钌双金属甲醇氧化电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，水热法的固体和去离子水的质量比为1:10；水热法反应的温度为160℃，反应时间为240min。4.根据权利要求1所述的含氮碳量子点修饰铂钌双金属甲醇氧化电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，水热反应结束后，经过离心过滤和冷冻干燥处理；离心过滤是在10000rpm转速下除去不溶性杂质部分，然后将得到的浅棕褐色溶液急冻成固体；冷冻干燥是将急冻成的固体在冷冻干燥装置中冻干18h。5.根据权利要求1所述的含氮碳量子点修饰铂钌双金属甲醇氧化电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，含氮碳量子点溶液的制备过程，含氮碳量子点固体与去离子水的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉微，梁家辉，牛利，赵博霖，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：